75 kg/m钢轨12号重载道岔服役性能优化分析＊

陈 嵘，王 平，李成辉

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

75 kg/m钢轨12号重载道岔服役性能优化分析＊

陈 嵘，王 平，李成辉

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

应用有限元方法，针对尖轨侧磨、间隔铁处钢轨压溃、轨底坡设置的不同工况建立三维弹性轮轨接触模型进行轮轨接触应力计算分析，揭示了病害产生的主要机理，并提出改善重载道岔服役性能的优化方案。结果表明:轴重大、轮轨作用力大、尖轨承载能力偏弱是重载铁路道岔尖轨侧磨严重的根本原因;间隔铁处的轨道刚度偏大和间隔铁与轨头下颚紧密接触对钢轨弹性变形空间的限制是导致间隔铁处钢轨压溃的重要原因;建议将重载铁路道岔区的轨底坡调整为1/20。

重载道岔;尖轨侧磨;钢轨压溃;轨底坡;服役性能

大轴重、高密度和大运量是我国重载铁路的三大特征(2010年大秦铁路年运量已突破4亿吨)，在这种极其严峻的运输条件下，道岔部件的磨损远大于普通线路道岔。造成道岔部件损伤的原因是综合性的，涉及到道岔平面线形、结构设计、部件材质、制造工艺等诸多因素。目前，我国重载铁路在用道岔主要为2种，一种是固定型道岔，辙叉为高锰钢铸造辙叉和合金钢组合辙叉，另一种是可动心轨道岔，辙叉为单肢弹性可弯结构，其中固定型道岔占绝大部分［1］。随着运量逐年增长，道岔使用过程中均出现了一些问题，其中以下3个问题比较突出:

(1)尖轨侧磨严重，并伴有剥离掉块现象:部分尖轨仅使用3个月就下道，一般为4～5个月。尖轨极易产生肥边，打磨不及时会发生尖轨掉块，甚至连续掉块。直尖轨稍长为9个月(运量3亿吨)，日常维护过程中，曾采取手工刷涂固体油，但效果不佳;

(2)钢轨存在较为严重的垂磨和肥边，一方面影响列车通过是的安全性和平稳性，另一方面导致轮轨相互作用加剧，从而进一步加快钢轨垂磨和肥边的发展，导致钢轨的使用寿命降低，如图1所示。

图1 钢轨垂磨和肥边Fig.1 Vertical wear of rail

(3)在螺孔和间隔铁位置普遍存在轨面不同程度的压溃且垂磨不均，造成轨面极为不平顺，影响列车运行平稳性，如图2所示。现场调查还发现，在钢轨压溃比较严重部位，间隔铁与钢轨轨头下颚接触紧密。

图2 间隔铁处轨头压溃及肥边Fig.2 Rail crushing at spacer block

国内外学者曾对主要由轮轨接触应力导致的钢轨损伤问题进行了大量研究［2－7］，但直接应用于重载道岔服役性能优化方面的成果并不多。鉴于此，为改善重载铁路道岔服役性能，在此，通过轮轨接触应力分析，揭示这3种病害产生的主要机理，并提出延长道岔使用寿命的工程解决方案。

1 轮轨接触应力计算的有限元法

计算轮轨局部接触应力，对于形状规则且无摩擦力作用的简单接触情况，赫兹理论提供了一种近似方法［2］，对于形状不规则，受力复杂的一般情况，赫兹理论则显得无能为力。

重载铁路道岔的钢轨磨损极为严重，磨损后的钢轨轮廓变形较大，采用赫兹理论计算轮轨接触应力的准确性有限，因此，对大秦线轮轨接触应力的计算，拟采用精度更好的三维接触有限单元法。

对于三维接触问题，采用普通有限单元离散弹性体，弹性体之间的交界面则布置三维接触单元，整个问题的描述采用笛卡尔坐标(x，y，z)、局部坐标系(n，s，t)则用于描述接触摩擦单元［4－6］。

1.1 接触摩擦单元结点接触应力与结点力之间的关系

定义三维接触单元如图3所示，运用虚位移原理，得到

式中:a和F分别为整体坐标系中的增量结点位移向量和等效增量结点力向量;A和∑分别为局部坐标系中的增量相对位移向量和增量接触应力向量。

引入插值函数矩阵N、坐标转换矩阵C，得到三维接触应力与结点力之间的关系为:

图3 局部坐标系中的三维接触单元Fig.3 Three－dimensional contact element in local coordinate system

1.2 接触面约束条件

在三维接触问题中，接触条件仍可以分为3类，即固定、滑动和张开。其中固定是指结点对闭合，无相对位移;滑动指接触面上总剪应力超过允许剪应力，结点对之间有相对位移，张开指结点对产生裂缝。

对应于上述不同的接触状态，接触面上的位移和应力应满足不同的连续条件和平衡条件，或称约束条件。图3所示的三维接触元有8个结点对，分别记为(1，9)，(2，10)，…，(8，16)，可将接触单元的约束方程统一表示为:

1.3 三维接触单元的等效刚度矩阵和等效荷载向量

将(2)、(4)两式合并可得到

由此得到等效单元刚度矩阵和等效结点荷载向量为

2 尖轨侧磨力学分析及改进措施

钢轨3种磨损(磨料磨损、粘着磨损和接触疲劳磨损)的磨损量都与荷载的大小和钢轨应力大小成正比，要有效减缓钢轨的磨损，应尽可能减小作用在钢轨上的荷载、降低轮轨接触应力［7］。因此，本文建立三维弹性轮轨接触有限元模型(图4)，轮轨接触应力分布见图5。对表1所列工况下尖轨应力进行计算，以揭示车辆横向荷载和尖轨头部宽度对尖轨应力水平的影响，为尖轨的减磨设计提供理论指导。表1中各工况均采用30 t轴重，动轮载取为300 kN，A类工况保持尖轨头部宽度为20 mm不变，横向力取值变化，垂向力同时作用在基本轨和尖轨上;B类工况，保持尖轨横向力为90 kN不变，尖轨头部宽度取值变化，垂向力完全作用在尖轨上。

图4 轮轨接触有限元模型Fig.4 FEM model of wheel－ rail contact

图5 轮轨接触应力分布Fig.5 Wheel－ rail contact stress distribution

表1 尖轨侧磨力学计算工况Table 1 Calculation conditions of switch rail side wear

表2 不同工况下的尖轨最大接触应力Table 2 Maximum contact stress of switch rail under different conditions

由图5和表2可知:

(1)随着钢轨横向力的增大，尖轨上的轮轨接触压力增加，在保持300 kN垂向力作用下，每增加10 kN横向力，尖轨上的最大接触应力约增大60 MPa。

(2)在相同荷载作用下，尖轨顶宽越大，其轮轨接触应力越小，当尖轨顶宽从20 mm增大至50 mm时，其轮轨接触应力减小了1 054 MPa，表明增大尖轨头部宽度，对降低轮轨接触应力的作用明显。

(3)车轮与尖轨的接触点易出现在工作边与顶面的联结圆弧处，由于圆弧半径较小，轮轨接触应力集中，使尖轨侧磨快速发展，最终导致尖轨剥离、掉块。

从上述分析可知，导致尖轨侧磨严重的根本原因是尖轨的接触应力过大，甚至超过了材料的屈服强度发生塑性流变，并且在轮载的反复碾压下，出现磨损、剥离和掉块现象，因此可从以下几个方面着手减缓尖轨磨损速度:①改进既有道岔的平面线型，增大导曲线半径，以减小作用在尖轨上的横向力;②对尖轨降低值进行优化，减缓道岔转辙器部分的结构不平顺，降低列车过岔时的轮轨相互作用，减小作用在尖轨上的动作用力;③对尖轨与基本轨的平面联结型式进行优化，增大尖轨在刨切部分的粗壮度，提高尖轨的承载能力;④运营维护过程中，在条件许可情况下，可对尖轨涂油，以降低轮轨间的摩擦系数，减小轮轨间的摩擦力。

3 间隔铁处钢轨压溃力学分析及改进措施

为了明确螺栓孔和间隔铁对钢轨接触应力的影响，应用三维接触有限单元法建立钢轨压溃应力计算模型对以下3种工况的轮轨接触应力进行计算:无螺栓孔无间隔铁、有螺栓孔无间隔铁、有螺栓孔有间隔铁(间隔铁与轨头下颚紧密接触)。图6为有螺栓孔无间隔铁工况的钢轨模型。

对比3种工况下的轮轨接触应力计算结果可知:

(1)有螺栓孔时，轮轨最大接触应力为831.681 MPa，比无螺栓孔时增大 38.599 MPa，表明在轨腰开孔后，对轮轨接触应力将产生不利影响。

(2)有螺栓孔有间隔铁时，轮轨接触应力最大值为1 055 MPa，如图7所示，比仅有螺栓孔时增大223.3 MPa，比无螺栓孔时增大 261.9 MPa。这表明，间隔铁与轨头下颚接触使轮轨接触应力大幅增大，其原因可能有2个方面:一方面是间隔铁联结作用使钢轨整体刚度增大，轮轨动力相互作用加剧;另一方面是间隔铁与轨头下颚紧密接触，限制了轨头在荷载作用下的弹性变形空间，使其只能主要通过塑性变形的方式耗散能量。

图7 钢轨横截面等效应力分布Fig.7 Equivalent stress distribution of rail cross－ section

(3)有螺栓孔和间隔铁时，轮轨最大接触应力为1 055 MPa，超过了钢轨的安定极限 973.25 MPa，故钢轨易产生屈服、塑性流动，最终出现压溃、肥边现象。

因此，可将间隔铁与轨头下颚紧密接触视为轮轨接触应力大幅增大的主因，采取2个措施进行改进:①合理设置间隔铁处扣件系统刚度，降低间隔铁处的钢轨整体刚度，使轨道刚度纵向均匀变化，以减缓轮轨相互作用;②改进间隔铁的结构型式，使间隔铁与轨头下颚间留有足够空隙，保证列车荷载作用下，钢轨有足够的弹性变形空间。

4 轨底坡对轮轨接触应力的影响及其合理值

为比较不同轨底坡对轮轨接触应力的影响，分别对轨底坡为1/20和1/40时，不同轮对横移量的轮轨接触应力进行计算分析，表3中所有工况计算所采用的轮轨力相同(垂向力300 kN，横向力90 kN)，轮轨间的摩擦系数均取为0.25。

从表3可看出:

(1)在相同荷载和轮对横移量下，1/20轨底坡对应的轮轨接触应力与1/40轨底坡的大致相当，表明将轨底坡从1/40增加到1/20后，并不会引起轮轨接触应力的大幅增加。

(2)1/20轨底坡的最大轮轨接触应力位于轨头中心线的外侧，1/40轨底坡则位于轨头中心线的内侧，可以预见，随着列车荷载的反复作用，1/20轨底坡的磨耗和肥边将主要出现在轨头中心线外侧，1/40轨底坡的磨耗和肥边将主要出现在轨头中心线内侧，钢轨内侧出现肥边后将产生轨距不平顺，加剧轮轨相互作用，进而加快钢轨的磨损。

表3 不同横移量时的轮轨接触应力计算结果Table 3 Maximum of wheel/rail contact stress under different wheelset traverse movement MPa

5 结论

(1)轴重大、轮轨作用力大、尖轨承载能力偏弱是重载铁路道岔尖轨侧磨严重的根本原因，应采取措施减小转辙器部分的轮轨相互作用，降低尖轨上的轮轨接触应力，提高尖轨的承载能力。

(2)间隔铁处的轨道刚度偏大和间隔铁与轨头下颚紧密接触对钢轨弹性变形空间的限制是导致间隔铁处钢轨压溃的重要原因，建议优化间隔铁处的扣件系统刚度和改善间隔铁与钢轨间的联结方式，保证钢轨的弹性变形空间。

(3)考虑到1/20轨底坡并不会大幅增加轮轨接触应力和其对钢轨内侧肥边的有利作用，宜将重载铁路道岔区的轨底坡调整为1/20。

［1］铁道部运输局基础部，中国铁道学会工务委员会编.铁道工务 第4册［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

Infrastructure Division of Transport Bureau of Chinese Ministry of Railways，Maintenance Committee of China Railway Society.Railway Maintenance No.4［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2009.

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CAI Wu，WEN Ze-feng，JIN Xue-song.Effects of rail gap on wheel－ rail contact stresses［J］.Engineering Mechanics，2006，23(9):173 －178.

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JING Xue-song，LIU Qi-yue.Tribology of wheel and rail［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2004.

Optimization of service performance of No.12 heavy haul railway turnout with 75 kg/m rail

CHEN Rong，WANG Ping，LI Cheng-hui

(MOE Key Laboratory of High－speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Focusing on side wear of switch rail，rail crushing at spacer block，and different rail base slope，a three－dimensional elastic wheel/rail contact model is established by employing finite element method to calculate wheel/rail contact stress.This paper reveals the main reason for rail disease and presents the optimization schemes for improving heavy load service performance.The results show that:the root causes for serious wear of the switch rail are big axis load，big wheel/rail interaction force and its weak carrying capacity;the main reasons for rail crushing at the spacer block are big rail stiffness and restriction of rail elastic deformation space caused by close contact between the spacer block and rail head jaw;it is suggested that the rail base slope should be adjusted as 1/20.

heavy haul railway turnout;side wear of switch rail;rail crushing;rail base slope;service performance

U213.6

A

1672－7029(2011)06－0007－05

2011－10－10

国家高技术研究发展(863)计划项目(2007AA11Z129);国家自然科学基金资助项目( 51008256;51078320)

陈 嵘(1981－)，男，湖南衡阳人，讲师，博士，从事高速、重载铁路及城市交通轨道结构及轨道动力学的研究